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Miglioramento genetico della patata

Per il miglioramento genetico delle varietà di patata si ricorre all’utilizzo di specie selvatiche del genere Solanum, nelle quali è possibile trovare caratteri di interesse agronomico e fonti di resistenza a stress abiotici e biotici. La patata rappresenta uno degli esempi più efficienti di uso delle specie selvatiche per il miglioramento genetico: circa l’80% delle cultivar europee e il 35% di quelle americane hanno nel loro pedigree le specie selvatiche. Un problema legato all’utilizzo di queste specie è il loro corredo cromosomico, che nella maggior parte dei casi è diploide (2n=2x=24), mentre la patata coltivata (S. tuberosum spp. tuberosum) è tetraploide (2n=4x=48). Dal punto di vista genetico, la patata coltivata presenta quindi un’eredità molto complessa (tetrasomica), che rende il lavoro di miglioramento molto lento, complicato anche dalla presenza di fenomeni di autoincompatibilità, sterilità, mancanza di fioritura o allegagione15.

Le tecniche tradizionali, essenzialmente basate sul breeding (miglioramento) a livello tetraploide, richiedono popolazioni di partenza molto numerose e tempi di ottenimento delle cultivar piuttosto lunghi. Le tecniche più moderne si basano sul breeding a livello diploide, tramite l’utilizzo di aploidi (n=2x=24), e presentano una maggiore efficienza in quanto permettono di lavorare con popolazioni più ridotte e consentono una facile ibridazione con le specie selvatiche diploidi. Le linee ottenute per mezzo del breeding a livello diploide possono poi essere ricondotte allo stato tetraploide tramite raddoppia- mento cromosomico mitotico, mediante l’uso della colchicina oppure tramite col- tura in vitro di tessuti (Sonnino, 1992).

Le metodologie più innovative si basano sull’utilizzo di tecniche di biologia cellulare e molecolare come l’ibridazione somatica e l’ingegneria genetica. L’ibridazione somatica consiste nella fusione di protoplasti di due specie diverse e nella conseguente rigenerazione in vitro di ibridi somatici. Questa tecnica è utilizzata sia a livello interspecifico che intraspecifico; nel primo caso permette di superare le barriere sessuali tra specie di Solanum e di unire genomi nucleari senza segregazione meiotica; nel secondo caso la tecnica è utilizzata per superare le barriere di incompatibilità fra aploidi di S. tuberosum ed alcune specie selvatiche diploidi.

Le tecniche di biologia molecolare (ingegneria genetica) permettono di inserire nel genoma della patata un carattere desiderato (resistenza ad insetti, virus, stress idrici, freddo), codificato da uno o più geni che possono anche non appartenere al genere Solanum o addirittura al regno vegetale. I transgeni, per potersi esprimere nelle piante trasformate, sono dotati di: un promotore, posto a monte del gene, costituito da una sequenza di DNA che funziona come un interruttore e regola l’attività trascrizionale; un terminatore, posto a valle del gene, che ne segnala la fine ad uno specifico complesso enzimatico. Sono presenti inoltre sequenze geniche necessarie per selezionare le cellule vegetali trasformate (geni marker) da quelle non trasfor- mate: nella maggior parte delle piante attualmente in sperimentazione si tratta di geni che conferiscono resistenza ad un antibiotico e sono costituiti anch’essi da un promotore ed un terminatore.

I metodi di trasformazione variano a seconda delle caratteristiche della specie vegetale. Nella coltura della patata le tecniche utilizzate sono essenzialmente due: il metodo dell’Agrobacterium tumefaciens e quello biolistico.

 

15 allegagione: stadio iniziale della formazione del frutto.

 

Metodo dell’Agrobacterium tumefaciens: sfrutta le caratteristiche di tale batterio del suolo che ha sviluppato un sistema naturale di ingegnerizzazione delle cellule. In natura l’Agrobacterium stimola nelle piante un’elevata proliferazione cellulare, detta tumore, dovuta alla presenza, all’interno del batterio, del plasmide Ti (tumor in- ducing) che si inserisce nel genoma della cellula della pianta. Nelle tecniche di trasformazione vengono utilizzati, ovviamente, plasmidi privati dell’informazione che causa la formazione del tumore. Il plasmide è quindi utilizzato come vettore di trasferimento di geni estranei in una cellula ospite. Questo metodo è il più utilizzato per la trasformazione di patate e l’ottenimento di piante geneticamente modificate.

 

Metodo Biolistico: tale metodo è attualmente il più utilizzato nella trasformazione delle monocotiledoni. Piccole microsfere di oro o tungsteno (Ø di circa 1 μm) vengono ricoperte con il DNA esogeno e sparate ad alta velocità sui campioni da trasformare. Le cellule situate nella traiettoria di tiro vengono uccise, ma nelle zone adiacenti penetrano senza provocare danni. Il metodo presenta il vantaggio di trasformare cellule vegetali integre (colture di cellule embrionali, foglie e semi).

Biotecnologie applicate al miglioramento genetico della patata

Le applicazioni più rilevanti nel campo dell’ingegneria genetica applicata alla pa- tata riguardano l’induzione della resistenza ad insetti e a malattie (causate da virus, funghi, etc.) e le modificazioni inerenti le caratteristiche composizionali (qualità dell’amido del tubero per scopi industriali, metabolismo dei carboidrati, etc.). Recentemente sono stati pubblicati studi su patate transgeniche da utilizzare come “biofabbriche” per la produzione di sostanze utili a scopi farmaceutici e salutistici. Le prime cultivar ingegnerizzate per la difesa contro la dorifora della patata (e autorizzate al commercio) risalgono al 1995 e sono state sviluppate dalla Monsanto: l’obiettivo era quello di ridurre i costi di produzione e l’uso eccessivo di pesticidi. Successivamente sono state prodotte cultivar per la resistenza al virus dell’accartocciamento fogliare e al virus Y.

 

Patata Bt resistente alla dorifora

Questa pianta è stata sviluppata introducendo il gene cryIIIA, isolato dal batterio del suolo Bacillus thuringiensis (spp. Tenebrionis), mediante trasformazione con il metodo dell’Agrobacterium tumefaciens. Il gene cryIIIA produce una ä-endotossina omonima, che agisce in maniera selettiva legandosi a siti specifici sull’epitelio intestinale degli insetti suscettibili, provocandone la morte per paralisi. La cryIIIA esplica la sua attività insetticida quando viene mangiata dalle larve di insetti coleotteri, in questo caso la Dorifora della Patata (Leptinotarsa decemlineata).

 

Patata Bt resistente alla dorifora e al virus Y (PVY)

Le linee di patata transgeniche sono state ottenute (partendo dalle varietà conven- zionali Shepody e Russet Burbank) attraverso due eventi di trasformazione sepa- rati, mediati dall’Agrobacterium tumefaciens, nei quali il DNA da trasferire (T- DNA) conteneva i geni codificanti per la ä-endotossina cryIIIA proveniente da Bacillus thuringiensis (spp. Tenebrionis) e per la proteina di rivestimento di un ceppo ordinario di PVY.

 

Patata Bt resistente alla dorifora e al virus dell’accartocciamento fogliare (PLRV)

La cultivar Russet Burbank è stata ingegnerizzata attraverso l’introduzione del gene codificante per la ä-endotossina cryIIIA e di sequenze geniche (1 proteasi e 1 elicasi) provenienti dal virus PLRV, conferenti resistenza all’infezione stessa. Il meccanismo di resistenza all’infezione, il cui processo non è stato chiarito completamente, è chiamato “resistenza mediata dalla replicasi” e può comportare il silenziamento della traduzione del gene virale.

Le modificazioni riguardanti le caratteristiche composizionali, in particolare relative alla qualità dell’amido, rappresentano una parte rilevante per quanto concerne l’Unione Europea (soprattutto a livello sperimentale) e non solo. Qui di seguito si riporta una breve descrizione della notifica C/SE/96/3501 svedese, riguardante una varietà commerciale trasformata tramite Agrobacterium tumefaciens, di cui è stata richiesta l’autorizzazione alla commercializzazione.

 

Patata con contenuto di amido modificato

Nel costrutto genico è stato inserito il gene gbss (orientato in senso inverso rispetto al suo promotore), la cui trascrizione porta alla produzione di tuberi di patata con un contenuto di amido modificato (amilopectine 98% - amilosio 2%) rispetto alla normale varietà isogenica (amilopectine 85% - amilosio 15%). Nel costrutto genico, per selezionare le cellule batteriche trasformate, è stato inserito anche il gene nptII, che conferisce resistenza alla kanamicina e più in generale agli antibiotici aminoglicosidici.

L’amido, una delle più importanti materie prime nelle piante, è utilizzato sia come alimento che per applicazioni industriali. Nella patata è costituito per circa il 20- 30% da amilosio e per il 70-80% da amilopectina. Il rapporto tra le due frazioni ha grande influenza sulle proprietà chimico-fisiche dell’amido stesso. Molto del lavoro per modificare la qualità dell’amido è stato condotto sulle patate; attraverso l’ingegneria genetica è possibile incrementare il livello dell’amilopectina (l’amido estratto dalla patata con valori di amilosio bassi è più adatto ai processi di lavorazione industriale), intervenendo sull’ enzima responsabile della sintesi dell’amilosio (GBSS), ottenendo patate con una percentuale più bassa o senza amilosio. Vi sono anche applicazioni, riguardanti sempre la qualità, rivolte all’ottenimento di piante con alti livelli di amilosio.

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